【正文】 線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用 ，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 AT89S51引腳說明： Vcc：電源電壓 GND：接地 P0口： P0口試一組 8位漏極開路型雙向 I/O口，也即地址 /總線復(fù)用口?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)時(shí)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 40個(gè)引腳， 4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2層中斷嵌套中斷， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 及時(shí)鐘電路。 AT89S51是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k byte的可系統(tǒng)編程的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051指令系統(tǒng)及引腳。 單片機(jī)選型及簡介 16 由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 ATMEL 公司的 AT89S51單片機(jī) 作為主控芯片。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起 到降壓作用。所以本系統(tǒng)采用如圖 ，把頻率為 50Hz、有效值為 220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的 5V和 24V直流電壓。當(dāng)單片 機(jī)輸出低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，繼電器吸合，電磁閥 得電開通，向水箱內(nèi)注水。另外再使用一只光耦，隔離單片機(jī) 5V 和電磁閥 24V 電源。 水位控制電路 圖 水位控制電路 15 本系統(tǒng)使用直流電磁閥控制水位，這里選用 ZCW2 型電磁閥，其額定電壓為DC12V，功率小于 15W，介質(zhì)溫度最高為 125℃ ，為常閉型 。 圖 水位檢測電路 當(dāng)水位沒有到達(dá)水位電極時(shí)，水位電極和公共電極沒有導(dǎo)通，三極管截止，射極電壓為高電平；當(dāng)水位到達(dá)水位電極時(shí)，水位電極與公共電 極導(dǎo)通，三極管飽和導(dǎo)通，射極電壓為低電平。 由于水的導(dǎo)電性十分微弱，因此電極送出的電信號(hào)十分微弱，不能直接送入單片機(jī)，因此需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，這里我們選用 PNP 三極管開關(guān)電路。根據(jù)電極輸出的電信號(hào)就 能確定水位的位置，將電極輸出的電信號(hào)當(dāng)作輸入信號(hào)經(jīng)處理后送入單片機(jī)。主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性?？刂?口輸出高電平的時(shí)間 Tx也就控制了 Tc內(nèi)導(dǎo)通周波數(shù) n，從而控制輸入爐子平均功率的大小，實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的。 系統(tǒng)采用 SSR，通過過零觸發(fā) 方式，在一個(gè)控制周期 Tc內(nèi)，由 AT89S51 的 口控制 SSR 的通斷率。 它帶有過零觸發(fā)功能，所以能實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)交流調(diào)功。 固態(tài)繼電器控溫電路如圖 所示。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷 ，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。 （ 3） 快速轉(zhuǎn)換 :固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。 12 圖 指示及報(bào)警電路 功率驅(qū)動(dòng)電路 固態(tài)繼電器簡介 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay,縮寫 SSR） ,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)水位達(dá)到超高報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器報(bào)警， 且紅燈點(diǎn)亮， 告訴工作人員應(yīng)斷開電磁 閥 ，避免了 水位溢出 引起的危險(xiǎn) ；當(dāng)水位達(dá)到超低報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，且綠燈點(diǎn)亮，告訴工作人員應(yīng) 打開 電磁閥，避免干燒的危險(xiǎn) 。 鍵盤的鍵名和對(duì)應(yīng)功能如表 所示。 本系統(tǒng) 利用 P1 口對(duì)鍵盤進(jìn)行控制， 采用中 斷掃描方式的鍵盤。 2) 定時(shí)掃描工作方式： 定時(shí)掃描工作方式是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生的定時(shí)中斷（例如 10ms）， CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)轉(zhuǎn)入鍵功能處理程序，則可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)掃描。 1) 編程掃描工作方式： 編程掃描工作方式是利用 CPU 在完成其 他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵輸入要求。 鍵盤工作方式 單片機(jī)系統(tǒng)中， CPU 既要忙于處理好各項(xiàng)工作任務(wù)，又要保證及時(shí)響應(yīng)對(duì)鍵盤的操作，同時(shí)還要節(jié)省 CPU 的時(shí)間，所以選 擇一個(gè)好的鍵盤工作方式，可以提高一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的工作效率。實(shí)際編程 時(shí)應(yīng)考慮按鍵抖動(dòng)的影響，通常采用軟件延時(shí) （如 20ms）的方法進(jìn)行抖動(dòng) 消除處理 。鍵盤中有無按鍵按下是由 行 線送入全掃描字、用行線讀行線狀態(tài)來判斷的。 鍵盤識(shí)別方法 按鍵設(shè)置在行、列交點(diǎn)上，行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。按鍵設(shè)置在行、列交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)，列線通過上拉電阻接到 +5V 上。這是識(shí)別矩陣鍵盤是否被按下的關(guān)鍵。行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列電平?jīng)Q定。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，可以節(jié)省 I/O 口線。 鍵盤工作原理 行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤。其具體電路 如 圖 所示 。 本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個(gè)、小數(shù)位。 采用 51 單片機(jī)的串行方式 0，只要兩根線 （數(shù)據(jù)與時(shí)鐘）就能完成顯示功能，而且串行口還可以跟其它芯片共用。但采用并行驅(qū)動(dòng)方式需要占用單片機(jī)大量 I/O 口，使用不太方便。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平 。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把 不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 74HC164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。 圖 DS18B20的接線圖 如圖 所示， DS18B20 溫度傳感器的 1腳接地， 2腳作為信號(hào)線，與 AT89S51的 管腳相接， 3 腳接電源， 3 腳與 2腳間連接一個(gè) 的 電阻，用以抬高 2 腳的電位。 減法計(jì)數(shù)器 1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)算，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置數(shù)減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值加 1，減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的是數(shù)值就是所測溫度值。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。 DS18B20 的測溫原理描述如下。 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL字節(jié)內(nèi)容作比較。該字節(jié)各位的定義如圖 所示。第 5 個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)如圖 示。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。在 0— 100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1 攝氏度。 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 正因?yàn)?DS18B20 有如上的優(yōu)點(diǎn)，在本系統(tǒng)中 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度。 溫度檢測元件 DS18B20[4] DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn) 型 溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等溫度元件相比，它能直接讀出被測溫度，而且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。同樣，在實(shí)現(xiàn)液位控制時(shí)，也沒有使用 D/A，而是直接外接繼電器，通過控制繼電器的 AT89S51 DS18B20 水位電極 SSR 加熱電阻 電磁閥 顯示電路 鍵盤電路 報(bào)警電路 繼電器 6 吸合控制電 磁閥的通斷。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用了合適的傳感器，這樣就不需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)根據(jù)水位信號(hào)，通過 I/O 口對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制。 鍵盤電路則用來輸入設(shè)定值，顯示電路對(duì)系統(tǒng)采集到的溫度實(shí)時(shí)顯示。 從圖上能看出，溫度控制單元采用 DS18B20 作為溫度采集元件，該元件的輸出為 數(shù)字信號(hào)，所以能直接送入單片機(jī)，而不需要 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。 5 2 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案概述 系統(tǒng)的框圖如 圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 如框圖所示，系統(tǒng)總體上分為兩部分，即溫度控制單元和液位控制單元。 本文需要完成以下工作： 詳細(xì)分析課題任務(wù)， 設(shè)計(jì)電源電路，鍵盤電路，單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，執(zhí)行器電路，報(bào)警電路等系統(tǒng)。 本文的設(shè)計(jì)指標(biāo) 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)以及水位控制系統(tǒng)，具體的技術(shù)指標(biāo)如下： a. 恒溫溫度控制在 0100℃之間， 連續(xù)可調(diào) ，誤差在177。 由于電加熱鍋爐是一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象 [3]，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進(jìn)行控制（簡稱 PID 控制），是控4 制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律 [2]。 （ 6） 可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于加入元件工作由外部電氣開關(guān)控制，所以鍋爐啟停速度快，通過控制各加熱元件的開關(guān)，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行負(fù)荷，調(diào)節(jié)操作迅速、簡單。由于本體結(jié)構(gòu)簡單，使得電熱鍋爐體積可以做的很小，簡單的結(jié)構(gòu)更加便于布置，占地面積也就減小。電加熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要布置管路，沒有燃燒室，沒有煙道，故而不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃?xì)?、燃油鍋爐存在的爆炸和泄漏的危險(xiǎn)。電加熱鍋爐采用加熱元件直接與水接觸，加熱時(shí)轉(zhuǎn)換效率很高，能量轉(zhuǎn)化率也很高，一般可達(dá)到 95%，而最新最好的鍋爐更是能達(dá)到 98%以上。由于采用電加熱方式，電能直接轉(zhuǎn)換為熱能，不需要采用燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，因此就不會(huì)排放出有害氣體及飛灰，不會(huì)產(chǎn)生灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求，更適合安放在人口密集的生活區(qū)和辦公區(qū)。 電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無污染，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。 關(guān)鍵詞 ： 電熱鍋爐 ； AT89S51 單片機(jī) ； DS18B20 溫度芯片 ； 溫度控制 ； 水位控制 ；PID 控制 2 The design of temperature and waterlevel control system of electric boiler Abstract： Electric water boiler has been widely used in every kinds of industrial control，such as metallurgy, chemical industry, machinery etc.. It is environmentally friendly, efficient, small size and so on. So it is very necessary to study the control system of electric water boiler. This paper introduces the working principle and design method of the temperature and liquid level control system which is based on AT89S51 MCU. Temperature signal collected by DS18B20 temperature chip is transmitted to the MCU in the form digital signal. The water signal collected by electric contact sensor, is transmitted to the MCU in switch forms. In this paper, the control system hardware part includes temperature sensing circuit, temperature control circuit, the water level detection circuit, the water level control circuit and other microcontroller interface circuit